海水板式换热器微生物污垢特性的实验研究

杨 帅，梅 宁，袁 瀚

（中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100）

在各种海洋能源中，海洋热能[1]具有热源储量大、热源品质稳定的独特优点，然而在实际应用中，低速海流及海洋生物附着等因素会带来海水换热器换热效果不佳的缺点，因此海水换热设备污垢清除以及传热强化是研究领域的热点课题。污垢[2]是在换热器表面上和流体中所发生的质量传递、动量传递以及换热现象相互作用的后果。通常，污垢会导致换热器传热性能降低、压降增大，甚至加剧腐蚀，最终导致一些换热器完全失效[3]。换热器在天然海水中会受到大量微生物附着，换热过程中会迅速形成一层微生物生物膜，导致各种微生物的集聚，形成微生物污垢，严重影响着换热器的换热效率。

目前对于微生物污垢特性，国内外学者都进行了大量的研究。Kern等[4]首次提出了沉积率与剥蚀率之差这一污垢特性的数学描述模型，奠定了污垢研究和发展的里程碑；Swee等[5]实验证明生物污垢层是多糖和生物粒子形成黏性附着物；Zubair和Sheikh等[6-7]总结了不同时间内污垢热阻的变化规律，提出了线性、降幂、幂律、渐进4种污垢增长模型，为污垢热阻预测提供了理论模型。近几十年来，国内的污垢研究才刚刚发展，起步较晚，1990年杨善让等[8]在国内外首次提出了管壳式换热器污垢热阻检测原理，并开发了智能监测装置；曹生现等[9]为研究微生物污垢的形成过程，建立了微生物污垢形成的传热传质模型，并且对不锈钢换热器中典型微生物结构特性进行了研究[10]。

这些研究都是针对污水源或者淡水河流等，未对海水中换热设备的污垢进行研究。为了得到海水中换热设备的污垢特性以及垢层对传热的影响，利用对设备影响较大的硫酸盐还原菌（SRB）细菌进行培养实验，通过扫描电子显微镜对不同时间段污垢的生长状况进行微观结构的观察[11]，在污垢形成的稳定期对垢层作了能谱分析，并且建立边界层重构加强换热装置，实现了污垢热阻的实时测量，对比验证污垢实际生长曲线和渐进预测模型，研究和测量污垢的热物性和物理特性是为了后续进行除垢加强换热作准备。

1 微生物污垢的形成过程以及培养

1.1 污垢生长过程

微生物污垢在板式换热器中形成的连续性过程包括开始、运输、附着、移动、老化，这些过程决定着整个污垢的形成过程，也最终决定着污垢对换热器性能的影响。污垢的开始是污垢过程的第一步，在此之前存在一个延迟时间，或称为诱导期，影响诱导期的因素有温度、流速、污垢的成分、换热器表面的特性和条件。板式换热器在海水中运行时，迅速地形成一层很薄的生物膜，膜中大部分是水分，也含有细菌、腐蚀产物、悬浮固体物、藻类等。运输是指污垢物自身从主流流体中运动到壁面的传输过程，微生物污垢在换热器的附着既包含物理过程，又包含化学过程。生物膜的存在使细菌、藻类、小型浮游生物开始附着于上不锈钢管材，开始大量微生物群的滋生。由于剪切力、湍流脉动已经侵蚀，会使污垢脱离换热表面，到最后附着和脱离产生一个平衡，污垢达到稳定期。

1.2 SRB的制备

SRB是一种厌氧的微生物，广泛存在于土壤、海水、河水、地下管道以及油气井等缺氧环境中，是海水中换热设备主要的微生物附着菌种。培养实验是从浸泡在自然海水中6个月的铁板表面富集培养出所需SRB菌种，富集培养采用修正的PGC培养基，成分如下：1.0 g Na2SO4，0.5 gK2HPO4，1.0 gNH4Cl，0.1 g CaCl2·6H2O，2.0 gMgSO4·7H2O，6 mL70%乳酸钠，1 g酵母膏，0.3 g柠檬酸钠。然后把菌种接种在液体培养基上，对换热设备进行附着和腐蚀。图1为换热表面被污垢附着后的情况。

SRB液体培养基成分[12]：磷酸氢二钾0.5 g/L，氯化铵1.0 g/L，硫酸钠0.5 g/L，氯化钙0.1 g/L，硫酸镁2.0 g/L。

2 实验系统和原理

2.1 实验装置设计

如图2和图3所示，板式换热器表面边界层重构换热模型，此实验装置的设计思路：一是模拟板式换热器的换热；二是要能实时测量换热板面的污垢热阻；三是中间换热板面可以方便拆卸；四是要能进行后续研究去除污垢，重构边界层加强换热。整个装置外侧是有机玻璃体，中间是不锈钢板，两头是打上钻眼的有机玻璃管。考虑一般测量换热器的换热都是测量其充分发展段的温度，为了使测量稳定准确，外侧和中间不锈钢板的间距是5 mm， 长度为300 mm，高度100 mm，在两头加上蓄水段和入口眼，并且在入口段装上均流网，保证换热段温度均匀、流速均匀，把温度测点放在充分发展段，可以准确地测量不锈钢板的换热量。并且在实验开始前，对装置和所有管路都进行了保温处理，减少实验过程中装置向空气的散热。

图1 铁板挂片污垢附着图

图2 竖直不锈钢流道换热装置图

图3 竖直不锈钢流道换热装置实物图

2.2 实验系统图

实验系统是模拟板式换热器在海水中受到单一菌种微生物（本实验用SRB）腐蚀时的实验情况，系统如图4所示，包括流量控制部分、温度控制部分、竖直不锈钢流道换热部分、机械清除污垢部分和数据采集部分。以天然海水灭菌处理后为基质加入营养液调配到一定的浓度和成分，把配制好的SRB菌种再接种其上，作为实验的换热热流体（在恒温水浴中加热到28 ℃），采用自来水灭菌处理作为实验的换热冷流体（恒温水浴中加热到10 ℃），实验采用逆流换热，换热温差 18 ℃，低温介质经循环水泵送入换热器换热后，其热量通过冷却水箱散掉。高温介质换热后的热损失通过恒温水浴进行补回，循环持续进行至污垢热阻稳定。在高温介质侧放置扫描电镜挂片，实验进行过程中，定期对挂片进行电镜扫描，观察附着形貌。

图4 实验装置图

实验用钢为304不锈钢，试样表面用砂纸逐级磨光，再经丙酮除油和灭菌处理。

2.3 实验仪器

实验仪器见表1。

表1 实验仪器

2.4 热阻测量原理

换热器的总热阻包含热量从热流体到冷流体传递的一系列热阻。在相同的工况下，洁净状态下和污损情况的热阻的差值就是污垢热阻，如式（1）。

式中，Rf为污染状态下的污垢热阻，m2·K/W；Uf为污染状态下的总传热系数，W/(m2·K)；Uc为洁净状态下的总传热系数，W/(m2·K)。

通过公式可以计算出污垢热阻，测量不同时间的热阻可以得到热阻随时间的变化规律，得到污垢从诱导期到稳定期污垢热阻的曲线图，并记录达到稳定期所需时间。根据Zubair和 Sheikh等[6-7]提出的渐进污垢模型，见式（2）。

式中，θ为污垢热阻增长时间，h；Rf为污垢热阻稳定值，m2·K/W；θc为污垢热阻达到稳定值的时间，h。

3 结果与分析

图5所示为不锈钢换热表面受污垢附着的情况图，可以看出换热表面污垢层较薄，分布不均，由于流场的原因，换热点的部位厚度明显大于其它地方，符合板式换热器的特性。

3.1 实验与理论对比

图5 不锈钢换热表面污垢附着图

图6 实验和理论的污垢热阻变化曲线对比图

从图6中实验结果可以看出，一开始壁面热阻并没有减小，由于所用海水和中介水都已经灭菌，刚开始微生物的浓度不高，并且是单一菌种，通过诱导期的繁殖后才大量繁殖。因此实验过程中有诱导期的存在，不锈钢表面并没有马上产生污垢，而是在24 h后，换热热阻有所下降，说明诱导期内，微生物的生长是增大了换热壁面的粗糙度，实际上增大了换热面积，还加强了换热。诱导期后，污垢开始产生，污垢热阻迅速增大，一段时间后，换热表面污垢已经有一定厚度，沉积和剥蚀达到平衡，污垢热阻稳定。实验测得的数据与Zubair和Sheikh等[6-7]提出的理论模型趋势基本上是吻合的，但是渐进污垢模型没有涵盖诱导期的影响，诱导期过后的趋势和变化是符合实际实验的，渐进污垢模型可以用来预测微生物污垢生长中后期以后热阻变化。

3.2 变流速下的污垢热阻特性

图7是0.8 m/s、0.9 m/s、1.0 m/s三种流速下的污垢热阻变化。从结果可以看出，三种流速下污垢热阻的趋势都是一样的，都有着诱导期的存在，污垢热阻先是减小，然后随着污垢的大量繁殖才开始换热热阻增大，最终达到平衡。从图7中还可以看出，流速从0.8 m/s增加到1.0 m/s，污垢热阻不但未减小，反而随着流速的增大而增大，这是由于流速的增大对于生物膜厚度有两面性：一方面流速增加使微生物养分的传递速率及废物的移出速率增大，使污垢层增厚；另一方面，较高流速可以产生较大的剪切力，使剥蚀率增大，减小污垢厚度。在低于1.0 m/s的流速内，污垢的厚度随流速的增大而增大，这一结果是设计中常引用的经验规则——换热器中冷却水流速应大于1.0 m/s的根据。

3.3 扫描电镜对污垢微观结构的观察

定期把放在装置中的扫描电镜挂片取出然后进行 SEM 观察，对换热表面污垢生长情况进行微观层次的观察。本实验室采用S-4800型扫描电子显微镜，得到不同时期微生物污垢的生长过程电镜图，如图8所示。诱导期过后污垢形成的开始是换热表面形成生物膜，此阶段污垢层开始增长，运输和移动时微生物继续生长，快速繁殖，污垢在换热表面开始呈现一定的表面结构。附着过程中污垢层成长的过程不是均匀生长的，会在容易积聚的地方大量堆积，此阶段壁面的微生物代谢会产生大量有机物，污垢层厚度开始增加，老化过程中垢层的沉积和剥蚀达到一种动态平衡，污垢层逐渐形成一定空间结构。

图7 不同流速下的污垢热阻变化曲线

图8 不同时期换热表面污垢生长放大500倍扫描电镜图

3.4 垢层的能谱分析

为分析垢层的元素组成，利用S-4800扫描电子显微镜污垢层进行了稳定期的能谱分析实验，分析结果如表2与图9所示。从中可以看出，污垢层含有大量的C、H、O、Ca元素，还有少量的Si、Fe、S等元素，分析可知污垢层可能是由各种有机物和水里的悬浮颗粒组成的，这些元素构成的污垢层的导热率很差，对换热表面的影响非常大，污垢层的存在使壁面的换热效果大大降低，并且对换热设备有很强的破坏腐蚀作用。

4 结 论

本文对微生物污垢的特性进行了一系列实验研究，包括SRB的制备和培养、板式换热器换热实验台的搭建、不同流速下的污垢热阻曲线，与渐进污垢模型进行了对比，而且对换热表面进行了SEM观察和能谱分析，从实验结果可以得出以下结论。

（1）板式换热器受单一菌种附着时存在着诱导期，污垢热阻先减小再随着微生物的繁殖而迅速增大，一段时间后随着污垢达到老化过程，污垢热阻开始稳定。

表2 垢层元素组成

图9 能谱分析样本图

（2）不同流速下污垢热阻是不同的，在1 m/s以内的低流速范围内，污垢热阻随着流速的增大而增大，此时流速使微生物养分量的控制占了主导作用，从而增大了垢层厚度。

（3）扫描电子显微镜清楚地显示出了微生物5个过程中垢层的变化，能谱分析显示了垢层是由有机物和悬浮颗粒组成的，说明微生物污垢是由多种因素共同影响的，是一系列复杂的物理化学变化过程的集合。

[1]薛桂芳，武文，刘洪滨，等. 浅谈海洋温差能及其可持续利用[J]. 中国海洋大学学报，2008（2）：15-19.

[2]杨善让，徐志明，孙灵芳. 换热设备的污垢与对策[M]. 第2版，北京：科学出版社，2004.

[3]Shah R K，Sekulic D P. Fundamentals of Heat Exchanger Design[M].New York：John Wiley & Sons，Inc，2010.

[4]Kern D Q，Seaton R E. Surface fouling：How to limit[J].Br. Chemm.Eng.，1959，55（6）：71- 73.

[5]Swee Loong Kordeng，Darren Delai Sun，et al. Biofouling development and rejection enhancement in long SRT MF membrane bioreaetor[J]. Proeess Biochemistry，2007，42（12）：1641-1648.

[6]Zubair S M，Sheikh A K，Budair M O，et al. A maintenance strategy for heat-transfer subject to fouling：A probabilistic approach[J].ASMEJ Heat Transfer，1997，119（3）：575-580.

[7]Zubair S M，Bilal M Q. A probabilistic fouling and cost model for plate-and-frame heat exchangers[J]. Energy Research，2006，30（1）：1-17.

[8]杨善让.污垢智能监测器的研究[C]//高等学校第三届工程热物理全国学术会议论文集，1990：611-614.

[9]曹生现，孙嘉伟，刘洋，等. 微生物污垢形成的传热传质模型[J]. 工程热物理学报，2012，33（6）：1023-1026.

[10]曹生现，崔长龙，刘洋，等. 不锈钢换热器中典型微生物结垢特性研究[J]. 东北电力大学学报，2012，32（3）；69-74.

[11]徐志明，杜祥云，董兵. 板式换热器以松花江为冷却水条件下的污垢特性[J]. 化工进展，2012，31（12）：2801-2805.

[12]Stadler R，Fuerbeth W，Harneit K，et al. First evaluation of the applicability of microbial extracellular polymeric substances for corrosion protection of metal substrates[J]. Electrochim Acta，2008，54：91-99.